EP1353185A2 - Inertial sensor having an integrated temperature probe - Google Patents

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EP1353185A2 EP03290775A EP03290775A EP1353185A2 EP 1353185 A2 EP1353185 A2 EP 1353185A2 EP 03290775 A EP03290775 A EP 03290775A EP 03290775 A EP03290775 A EP 03290775A EP 1353185 A2 EP1353185 A2 EP 1353185A2
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temperature probe
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Alain Renault
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Abstract

The acceleration sensor has a plate (1) in which is delimited a support part (2), with a vibrating element (7) carried by this support part, which is sensitive to the movements that the sensor is subjected to, and an additional part which is connected to the vibrating element and active in the detection of acceleration. The sensor includes a temperature probe having a conductor rail (10) which is fixed on the additional active part, and which has a variable resistance as a function of ambient temperature.

Description

La présente invention concerne les capteurs inertiels, notamment les accéléromètres et les gyromètres.The present invention relates to inertial sensors, in particular accelerometers and gyrometers.

L'invention concerne plus particulièrement les capteurs comprenant une cellule sensible comportant une plaque dans laquelle sont délimités une partie formant un organe support et au moins un élément vibrant associé à des moyens d'excitation. Les moyens d'excitation permettent de faire vibrer l'élément vibrant et de détecter la fréquence de vibration de celui-ci.The invention relates more particularly to sensors comprising a sensitive cell comprising a plate in which are defined a part forming a support member and at least one vibrating element associated with means of excitement. The excitation means allow to vibrate the vibrating element and detect the frequency of vibration thereof.

ARRIERE PLAN DE L'INVENTIONBACKGROUND OF THE INVENTION

Dans le cas d'un accéléromètre, un élément inertiel est relié à l'élément vibrant. Cet élément inertiel est une masse elle-même délimitée dans la plaque et mobile par rapport à l'organe support. Lorsque le capteur est soumis à une accélération, la masse exerce une force sur l'élément vibrant. Cette force modifie la fréquence de vibration de telle manière que la variation de la fréquence de vibration de l'élément vibrant permet de déterminer l'accélération à laquelle le capteur est soumis.In the case of an accelerometer, an inertial element is connected to the vibrating element. This inertial element is a mass itself delimited in the plate and mobile relative to the support member. When the sensor is subjected to an acceleration, the mass exerts a force on the vibrating element. This force changes the frequency vibration so that the variation in frequency of vibration of the vibrating element makes it possible to determine the acceleration to which the sensor is subjected.

Toutefois, on s'est aperçu que des variations de température provoquaient également des variations de la fréquence de vibration de l'élément vibrant.However, we have noticed that variations in temperature also caused variations in the frequency of vibration of the vibrating element.

Pour obtenir une mesure précise d'accélération, il est donc nécessaire de déterminer l'influence respective de l'accélération et de la température dans la variation de la fréquence de vibration.To get an accurate acceleration measurement, it is therefore necessary to determine the respective influence acceleration and temperature in the variation of the vibration frequency.

Pour ce faire, il est connu d'associer un capteur de température au capteur d'accélération. Cependant, du fait de la compacité des capteurs d'accélération du type précité, les capteurs de température connus doivent être montés séparés de la cellule sensible. Or, il s'avère que, d'une part, le gradient de température régnant à l'intérieur du capteur et, d'autre part, le décalage temporel entre une variation de température de la sonde et la température de l'élément vibrant sont trop importants pour que la température mesurée permette de déterminer de façon fiable l'influence de la température dans la variation de la fréquence de vibration.To do this, it is known to associate a sensor temperature at the acceleration sensor. However, from made of compactness of acceleration sensors of the type above, the known temperature sensors must be mounted separate from the sensitive cell. Now it turns out that, on the one hand, the temperature gradient prevailing at inside the sensor and, on the other hand, the time difference between a temperature variation of the probe and the temperature of the vibrating element are too important so that the measured temperature makes it possible to determine reliably the influence of temperature in the variation of the vibration frequency.

On connaít également du document US-A-5 020 370 un transducteur qui comporte une plaque dans laquelle sont délimités deux éléments vibrants dont les extrémités sont solidaires de parties support destinées à être fixées à un bâti et à une masse. Une sonde de température formée d'une piste conductrice s'étend sur une poutre reliée à au moins une des parties support et parallèle aux éléments vibrants. La mesure de température est alors réalisée près des éléments vibrants. Toutefois, la poutre supportant la sonde de température risque d'affecter le comportement mécanique du transducteur et donc la sensibilité du transducteur à l'accélération.We also know from document US-A-5,020,370 a transducer which comprises a plate in which two vibrating elements are delimited whose ends are integral with support parts intended to be fixed to a frame and a mass. A temperature probe formed of a conductive track extends over a connected beam at least one of the support parts and parallel to vibrating elements. The temperature measurement is then performed near the vibrating elements. However, the beam supporting the temperature probe may affect the mechanical behavior of the transducer and therefore the sensitivity from the transducer to acceleration.

OBJET DE L'INVENTIONOBJECT OF THE INVENTION

Un but de l'invention est de fournir un capteur minimisant les erreurs dues à des variations de température.An object of the invention is to provide a sensor minimizing errors due to temperature variations.

BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTIONBRIEF DESCRIPTION OF THE INVENTION

En vue de la réalisation de ce but, on prévoit, selon l'invention, un capteur de détection d'accélération comporte une plaque dans laquelle sont délimités une partie support, au moins un élément vibrant porté par la partie support et sensible à des mouvements auxquels le capteur est soumis, et au moins une partie additionnelle reliée à l'élément vibrant et active dans la détection d'accélération, le capteur comprenant une sonde de température comportant une piste conductrice qui est fixée au moins sur la partie additionnelle active et qui a une résistance variant en fonction d'une température ambiante.With a view to achieving this goal, provision is made, according to the invention, an acceleration detection sensor has a plate in which a part is delimited support, at least one vibrating element carried by the support part and sensitive to movements to which the sensor is submitted, and at least one additional part connected to the vibrating element and active in detection acceleration, the sensor comprising a temperature probe having a conductive track which is fixed to the less on the additional active part and which has a resistance varying according to an ambient temperature.

Ainsi, la température peut être déterminée de façon précise, au plus près de l'élément vibrant à partir de la mesure de la résistance de la piste conductrice puis être prise en compte pour déterminer de façon fiable la part respective de la température et du mouvement du capteur dans la variation de la fréquence de vibration de l'élément vibrant.So the temperature can be determined so precise, closer to the vibrating element from measuring the resistance of the conductive track then be taken into account to reliably determine the respective share of temperature and movement of the sensor in the variation of the vibration frequency of the vibrating element.

De préférence, la sonde de température s'étend de façon symétrique par rapport à l'élément vibrant.Preferably, the temperature probe extends from symmetrically with respect to the vibrating element.

On minimise ainsi les erreurs pouvant résulter d'un gradient de température à l'intérieur du capteur.This minimizes the errors that may result of a temperature gradient inside the sensor.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit d'un mode de réalisation particulier non limitatif de l'invention.Other features and benefits of the invention will become apparent on reading the description which follows of a particular nonlimiting embodiment of the invention.

BREVE DESCRIPTION DES DESSINSBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Il sera fait référence aux dessins annexés, parmi lesquels :

  • la figure 1 est une vue de dessus d'un capteur d'accélération conforme à l'invention,
  • la figure 2 est une vue analogue à la figure 1 d'un capteur d'accélération selon une variante de réalisation.
Reference will be made to the appended drawings, among which:
  • FIG. 1 is a top view of an acceleration sensor according to the invention,
  • Figure 2 is a view similar to Figure 1 of an acceleration sensor according to an alternative embodiment.

DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTIONDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

En référence à la figure 1, le capteur d'accélération comporte une plaque généralement désignée en 1 en quartz piézo-électrique dans laquelle sont délimités de manière connue en elle-même une partie support 2 destinée à être fixée dans un boítier, un cadre de découplage 3 ayant un côté solidaire de l'organe support 2 et un côté opposé relié à une masse 4, une masse 5 reliée à la masse 4 par des charnières 6, et un élément vibrant 7 ayant des extrémités solidaires des masses 4, 5. Les charnières 6 sont formées par des pattes déformables formées dans la plaque 1 et ont des axes compris dans le plan de la figure de sorte que la direction sensible du capteur est quasi normale à ce plan. Le cadre de découplage 3, la masse 4, la masse 5 et les charnières 6 forment des parties additionnelles actives dans la détection d'accélération en ce sens qu'elles participent avec l'élément vibrant à la fonction de détection d'accélération.Referring to Figure 1, the sensor acceleration has a plate generally designated in 1 in piezoelectric quartz in which are delimited in a manner known in itself a support part 2 intended to be fixed in a housing, a decoupling frame 3 having a side integral with the support member 2 and an opposite side connected to a mass 4, a mass 5 connected to the mass 4 by hinges 6, and a vibrating element 7 having ends secured to the masses 4, 5. The hinges 6 are formed by deformable legs formed in plate 1 and have axes included in the plane of the figure so that the sensitive direction of the sensor is almost normal to this plane. The decoupling framework 3, mass 4, mass 5 and hinges 6 form additional parts active in detection acceleration in the sense that they participate with the vibrating element with the detection function acceleration.

Le capteur comprend un circuit 8 d'excitation piézo-électrique de l'élément vibrant 7 qui est symbolisé sur la figure par un trait mixte et qui est agencé de façon connue en soi pour, d'une part, mettre en vibration l'élément vibrant 7 selon une fréquence déterminée et, d'autre part, détecter les variations de la fréquence de vibration de l'élément vibrant 7. Le circuit 8 s'étend sur une face 9 de la plaque 1 et comporte des bornes 8' de liaison à un module électronique (non représenté) de commande du capteur.The sensor includes an excitation circuit 8 piezoelectric of the vibrating element 7 which is symbolized in the figure by a dashed line and which is arranged so known per se for, on the one hand, to vibrate the vibrating element 7 according to a determined frequency and, on the other hand, detect variations in the frequency of vibration of the vibrating element 7. The circuit 8 extends on one face 9 of the plate 1 and has terminals 8 ' of connection to an electronic module (not shown) of sensor control.

Le capteur comprend également une sonde de température qui comporte une piste conductrice 10, symbolisée sur la figure par un trait fort, qui dans cet exemple de réalisation s'étend sur la face 9 de la plaque 1 au niveau de l'organe support 2 et des parties additionnelles actives.The sensor also includes a temperature probe which includes a conductive track 10, symbolized in the figure by a strong line, which in this example of realization extends on the face 9 of the plate 1 at the level of the support member 2 and of the additional parts active.

La piste conductrice 10 est réalisée en un matériau dont la conductivité varie en fonction des variations de température, en l'occurrence de l'or ou un alliage d'or. Si nécessaire, la piste conductrice 10 comprend des portions sinueuses afin que la piste conductrice ait une longueur compatible avec la résistance appropriée pour un bon fonctionnement de l'électronique de mesure et de calcul de la compensation thermique correspondante.The conductive track 10 is made of a material whose conductivity varies according to variations of temperature, in this case gold or an alloy Golden. If necessary, the conductive track 10 comprises winding portions so that the conductive track has a length compatible with the appropriate resistance for proper functioning of the electronics of measurement and calculation of the corresponding thermal compensation.

De préférence, la piste conductrice 10 est symétrique par rapport à l'élément vibrant pour que l'erreur de mesure de la température soit minimisée dans le cas d'un gradient de température à l'intérieur du boítier du capteur.Preferably, the conductive track 10 is symmetrical relative to the vibrating element so that the error temperature measurement is minimized in the case of a temperature gradient inside the case of the sensor.

La piste conductrice 10 comporte des bornes 10' de liaison au module électronique de commande du capteur. The conductive track 10 has terminals 10 ' connection to the electronic sensor control module.

Le circuit 8 et la piste conductrice 10 sont ici dans le même de métal et peuvent être réalisés soit par dépôt localisé de métal sur la plaque 1 pour former le circuit 8 et la piste conductrice 10, soit en recouvrant les faces de la plaque 1 d'une couche métallique puis en attaquant ou gravant celle-ci selon des techniques connues en elles-mêmes pour former le circuit 8 et la piste conductrice 10.Circuit 8 and conductive track 10 are here in the same metal and can be made either by localized deposit of metal on plate 1 to form the circuit 8 and the conductive track 10, either by covering the faces of the plate 1 with a metallic layer and then attacking or etching it according to known techniques in themselves to form circuit 8 and the track driver 10.

Le module de commande du capteur est agencé pour, d'une part commander le circuit d'excitation 8 et traiter l'information relative à la fréquence de vibration de l'élément vibrant 7 et, d'autre part, pour déterminer la température à partir de la résistance de la piste conductrice 10 afin de distinguer dans la fréquence de l'élément vibrant 7 la part résultant de la température de la part résultant de l'effort exercé sur l'élément vibrant 7 par la masse 6 soumise à une accélération.The sensor control module is arranged for, on the one hand control the excitation circuit 8 and process information about the vibration frequency of the vibrating element 7 and, on the other hand, to determine the temperature from the resistance of the conductive track 10 in order to distinguish in the frequency of the vibrating element 7 the part resulting from the temperature on the part resulting from the force exerted on the vibrating element 7 by the mass 6 subjected to an acceleration.

Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et on peut y apporter des variantes de réalisation sans sortir du cadre de l'invention tel que défini par les revendications.Of course, the invention is not limited to embodiment described and variations may be made without departing from the scope of the invention as defined by the claims.

En particulier, l'invention s'applique à tous les capteurs à élément vibrant. Ainsi, bien que le capteur décrit soit réalisé à partir d'une plaque de quartz et mette en oeuvre l'effet piézo-électrique, le capteur peut être réalisé à partir d'une plaque de silicium dont l'élément vibrant est excité de façon capacitive, magnétique, thermoélectrique ou autre. Le mode de fabrication d'un tel capteur est analogue à celui décrit ci-dessus.In particular, the invention applies to all vibrating element sensors. So although the sensor described is made from a quartz plate and implements the piezoelectric effect, the sensor can be made from a silicon wafer of which the vibrating element is activated in a capacitive, magnetic manner, thermoelectric or other. The manufacturing method of such a sensor is similar to that described above.

Bien que le capteur ait été décrit avec un élément inertiel se présentant sous forme d'une masse 5 pour réaliser un accéléromètre, la sonde de température selon l'invention peut être utilisée en relation avec n'importe quel élément inertiel, par exemple un gyromètre pour réaliser un capteur de rotation. Although the sensor has been described with an element inertial in the form of a mass 5 for make an accelerometer, the temperature probe according to the invention can be used in connection with any which inertial element, for example a gyrometer to realize a rotation sensor.

De même, bien que l'invention ait été décrite selon un mode de réalisation dans lequel l'élément vibrant a une extrémité reliée à l'organe support par l'intermédiaire d'une masse et d'un cadre de découplage, l'invention s'applique à tout montage de l'élément vibrant, par exemple aux capteurs ayant des éléments vibrants associés pour former un diapason.Similarly, although the invention has been described according to an embodiment in which the vibrating element has one end connected to the support member by through a mass and a decoupling frame, the invention applies to any mounting of the vibrating element, for example to sensors with vibrating elements associated to form a tuning fork.

La piste conductrice formant la sonde de température peut s'étendre sur toutes les parties additionnelles actives ou seulement sur certaines d'entre elles.The conductive track forming the temperature probe can span all additional parts active or only on some of them.

Dans le cas où plusieurs capteurs d'accélération sont délimités dans la même plaque, une piste conductrice de mesure de température peut être associée à chaque capteur ou à des groupes de plusieurs capteurs. L'information fournie par la ou les sondes de températures peut être utilisée en combinaison avec les fréquences de résonance des éléments vibrants pour calculer de manière précise la température de l'un au moins des éléments vibrants.In the case where several acceleration sensors are delimited in the same plate, a conductive track temperature measurement can be associated with each sensor or to groups of several sensors. Information provided by the temperature probe (s) can be used in combination with frequencies of resonance of the vibrating elements to calculate so specifies the temperature of at least one of the elements vibrant.

Bien que la piste conductrice formant la sonde de température ait été illustrée sur la figure 1 selon une disposition sur la même face 9 de la plaque 1 que le circuit d'excitation, ce qui en facilite la fabrication, la sonde de température peut être disposée sur la face 9' de la plaque 1 opposée à la face 9 comme sur la variante de la figure 2. Ceci permet de disposer la sonde de température plus près encore de l'élément vibrant 7. Ainsi la piste conductrice 10 s'étend sur l'organe support 1, le cadre de découplage 3 et les masses 4 et 5. On notera que la piste conductrice 10 possède ici une portion large 10.1 (symbolisée par un trait épais) qui s'étend sur l'organe support 2 et le cadre de découplage 3 et une portion étroite 10.2 (symbolisée par un trait fin) qui s'étend sur les masses 4 et 5. La portion étroite 10.2 a ainsi une résistance plus grande que la portion large 10.1 de sorte que les variations de résistance en fonction de la température sont plus importantes sur la portion étroite 10.2. De la sorte, la température a proximité de l'élément vibrant 7 est privilégiée dans la mesure réalisée. On peut également avoir une ou des portions de largeur non constante sur les masses, l'organe support ou le cadre de découplage. Pour avoir une portion agencée pour présenter une plus forte résistance, on peut également, d'une manière générale, diminuer la section transversale de cette portion (par exemple en diminuant l'épaisseur de cette portion) ou utiliser un métal de conductivité différente, par rapport à celle des autres portions de la piste conductrice.Although the conductive track forming the temperature has been illustrated in FIG. 1 according to a arrangement on the same face 9 of the plate 1 as the circuit of excitation, which facilitates its manufacture, temperature probe can be placed on the 9 'side of the plate 1 opposite to the face 9 as on the variant of Figure 2. This provides the temperature sensor even closer to the vibrating element 7. Thus the conductive track 10 extends over the support member 1, the decoupling frame 3 and the masses 4 and 5. It will be noted that the conductive track 10 here has a wide portion 10.1 (symbolized by a thick line) which extends over the support member 2 and the decoupling frame 3 and a narrow section 10.2 (symbolized by a thin line) which extends over masses 4 and 5. The narrow portion 10.2 a thus greater resistance than the wide portion 10.1 so that the resistance variations as a function are more important on the portion narrow 10.2. In this way, the temperature nearby of the vibrating element 7 is preferred in the measurement performed. You can also have one or more portions of width not constant over the masses, the support member or the decoupling frame. To have a portion arranged to present a higher resistance, we can also, generally reduce the cross section of this portion (for example by decreasing the thickness of this portion) or use a metal of different conductivity, compared to that of others portions of the conductive track.

Claims (6)

Capteur de détection d'accélération, comportant une plaque (1) dans laquelle sont délimités une partie support (2), au moins un élément vibrant (7) porté par la partie support et sensible à des mouvements auxquels le capteur est soumis, et au moins une partie additionnelle reliée à l'élément vibrant et active dans la détection d'accélération, caractérisé en ce que le capteur comprend une sonde de température comportant une piste conductrice (10) qui est fixée au moins sur la partie additionnelle active et qui a une résistance variant en fonction d'une température ambiante.Acceleration detection sensor, comprising a plate (1) in which a support part (2) is delimited, at least one vibrating element (7) carried by the support part and sensitive to movements to which the sensor is subjected, and to the at least one additional part connected to the vibrating element and active in the acceleration detection, characterized in that the sensor comprises a temperature probe comprising a conductive track (10) which is fixed at least on the additional active part and which has resistance varying according to an ambient temperature. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la sonde de température (10) s'étend de façon symétrique par rapport à l'élément vibrant (7).Sensor according to claim 1, characterized in that the temperature probe (10) extends symmetrically with respect to the vibrating element (7). Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la piste conductrice (10) comprend une portion (10.2) agencée pour présenter une plus forte résistance au voisinage de l'élément vibrant (7).Sensor according to claim 1, characterized in that the conductive track (10) comprises a portion (10.2) arranged to have a higher resistance in the vicinity of the vibrating element (7). Capteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que cette portion (10.2) présente une section transversale réduite.Sensor according to claim 3, characterized in that this portion (10.2) has a reduced cross section. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie additionnelle active sur laquelle s'étend la sonde de température comprend une masse (5) reliée à l'élément vibrant (7) et au moins une charnière (6) reliant la masse à la partie support (2).Sensor according to claim 1, characterized in that the additional active part over which the temperature probe extends comprises a mass (5) connected to the vibrating element (7) and at least one hinge (6) connecting the mass to the support part (2). Capteur selon la revendication 1 ou la revendication 5, caractérisé en ce que la partie additionnelle active sur laquelle s'étend la sonde de température comprend un cadre de découplage (3, 4) disposé entre la partie support (2) et l'élément vibrant (7).Sensor according to claim 1 or claim 5, characterized in that the additional active part on which the temperature probe extends comprises a decoupling frame (3, 4) disposed between the support part (2) and the vibrating element (7).
EP03290775A 2002-04-12 2003-03-27 Inertial sensor having an integrated temperature probe Expired - Lifetime EP1353185B1 (en)

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